src/gromacs/gmxana/gmx_rotmat.c

   1 /*
   2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
   3  *
   4  * Copyright (c) 2009,2010,2011,2012,2013,2014, by the GROMACS development team, led by
   5  * Mark Abraham, David van der Spoel, Berk Hess, and Erik Lindahl,
   6  * and including many others, as listed in the AUTHORS file in the
   7  * top-level source directory and at http://www.gromacs.org.
   8  *
   9  * GROMACS is free software; you can redistribute it and/or
  10  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License
  11  * as published by the Free Software Foundation; either version 2.1
  12  * of the License, or (at your option) any later version.
  13  *
  14  * GROMACS is distributed in the hope that it will be useful,
  15  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  16  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  17  * Lesser General Public License for more details.
  18  *
  19  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  20  * License along with GROMACS; if not, see
  21  * http://www.gnu.org/licenses, or write to the Free Software Foundation,
  22  * Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA.
  23  *
  24  * If you want to redistribute modifications to GROMACS, please
  25  * consider that scientific software is very special. Version
  26  * control is crucial - bugs must be traceable. We will be happy to
  27  * consider code for inclusion in the official distribution, but
  28  * derived work must not be called official GROMACS. Details are found
  29  * in the README & COPYING files - if they are missing, get the
  30  * official version at http://www.gromacs.org.
  31  *
  32  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  33  * the research papers on the package. Check out http://www.gromacs.org.
  34  */
  35 #ifdef HAVE_CONFIG_H
  36 #include <config.h>
  37 #endif
  38
  39 #include <math.h>
  40 #include <string.h>
  41
  42 #include "gromacs/commandline/pargs.h"
  43 #include "typedefs.h"
  44 #include "gromacs/utility/smalloc.h"
  45 #include "macros.h"
  46 #include "vec.h"
  47 #include "pbc.h"
  48 #include "gromacs/utility/futil.h"
  49 #include "index.h"
  50 #include "mshift.h"
  51 #include "xvgr.h"
  52 #include "rmpbc.h"
  53 #include "gromacs/fileio/tpxio.h"
  54 #include "gromacs/fileio/trxio.h"
  55 #include "gmx_ana.h"
  56
  57 #include "gromacs/math/do_fit.h"
  58
  59 static void get_refx(output_env_t oenv, const char *trxfn, int nfitdim, int skip,
  60                      int gnx, int *index,
  61                      gmx_bool bMW, t_topology *top, int ePBC, rvec *x_ref)
  62 {
  63     int          natoms, nfr_all, nfr, i, j, a, r, c, min_fr;
  64     t_trxstatus *status;
  65     real        *ti, min_t;
  66     double       tot_mass, msd, *srmsd, min_srmsd, srmsd_tot;
  67     rvec        *x, **xi;
  68     real         xf;
  69     matrix       box, R;
  70     real        *w_rls;
  71     gmx_rmpbc_t  gpbc = NULL;
  72
  73
  74     nfr_all = 0;
  75     nfr     = 0;
  76     snew(ti, 100);
  77     snew(xi, 100);
  78     natoms = read_first_x(oenv, &status, trxfn, &ti[nfr], &x, box);
  79
  80     snew(w_rls, gnx);
  81     tot_mass = 0;
  82     for (a = 0; a < gnx; a++)
  83     {
  84         if (index[a] >= natoms)
  85         {
  86             gmx_fatal(FARGS, "Atom index (%d) is larger than the number of atoms in the trajecory (%d)", index[a]+1, natoms);
  87         }
  88         w_rls[a]  = (bMW ? top->atoms.atom[index[a]].m : 1.0);
  89         tot_mass += w_rls[a];
  90     }
  91     gpbc = gmx_rmpbc_init(&top->idef, ePBC, natoms);
  92
  93     do
  94     {
  95         if (nfr_all % skip == 0)
  96         {
  97             gmx_rmpbc(gpbc, natoms, box, x);
  98             snew(xi[nfr], gnx);
  99             for (i = 0; i < gnx; i++)
 100             {
 101                 copy_rvec(x[index[i]], xi[nfr][i]);
 102             }
 103             reset_x(gnx, NULL, gnx, NULL, xi[nfr], w_rls);
 104             nfr++;
 105             if (nfr % 100 == 0)
 106             {
 107                 srenew(ti, nfr+100);
 108                 srenew(xi, nfr+100);
 109             }
 110         }
 111         nfr_all++;
 112     }
 113     while (read_next_x(oenv, status, &ti[nfr], x, box));
 114     close_trj(status);
 115     sfree(x);
 116
 117     gmx_rmpbc_done(gpbc);
 118
 119     snew(srmsd, nfr);
 120     for (i = 0; i < nfr; i++)
 121     {
 122         printf("\rProcessing frame %d of %d", i, nfr);
 123         for (j = i+1; j < nfr; j++)
 124         {
 125             calc_fit_R(nfitdim, gnx, w_rls, xi[i], xi[j], R);
 126
 127             msd = 0;
 128             for (a = 0; a < gnx; a++)
 129             {
 130                 for (r = 0; r < DIM; r++)
 131                 {
 132                     xf = 0;
 133                     for (c = 0; c < DIM; c++)
 134                     {
 135                         xf += R[r][c]*xi[j][a][c];
 136                     }
 137                     msd += w_rls[a]*sqr(xi[i][a][r] - xf);
 138                 }
 139             }
 140             msd      /= tot_mass;
 141             srmsd[i] += sqrt(msd);
 142             srmsd[j] += sqrt(msd);
 143         }
 144         sfree(xi[i]);
 145     }
 146     printf("\n");
 147     sfree(w_rls);
 148
 149     min_srmsd = GMX_REAL_MAX;
 150     min_fr    = -1;
 151     min_t     = -1;
 152     srmsd_tot = 0;
 153     for (i = 0; i < nfr; i++)
 154     {
 155         srmsd[i] /= (nfr - 1);
 156         if (srmsd[i] < min_srmsd)
 157         {
 158             min_srmsd = srmsd[i];
 159             min_fr    = i;
 160             min_t     = ti[i];
 161         }
 162         srmsd_tot += srmsd[i];
 163     }
 164     sfree(srmsd);
 165
 166     printf("Average RMSD between all structures: %.3f\n", srmsd_tot/nfr);
 167     printf("Structure with lowest RMSD to all others: time %g, av. RMSD %.3f\n",
 168            min_t, min_srmsd);
 169
 170     for (a = 0; a < gnx; a++)
 171     {
 172         copy_rvec(xi[min_fr][a], x_ref[index[a]]);
 173     }
 174
 175     sfree(xi);
 176 }
 177
 178 int gmx_rotmat(int argc, char *argv[])
 179 {
 180     const char     *desc[] = {
 181         "[THISMODULE] plots the rotation matrix required for least squares fitting",
 182         "a conformation onto the reference conformation provided with",
 183         "[TT]-s[tt]. Translation is removed before fitting.",
 184         "The output are the three vectors that give the new directions",
 185         "of the x, y and z directions of the reference conformation,",
 186         "for example: (zx,zy,zz) is the orientation of the reference",
 187         "z-axis in the trajectory frame.",
 188         "[PAR]",
 189         "This tool is useful for, for instance,",
 190         "determining the orientation of a molecule",
 191         "at an interface, possibly on a trajectory produced with",
 192         "[TT]gmx trjconv -fit rotxy+transxy[tt] to remove the rotation",
 193         "in the [IT]x-y[it] plane.",
 194         "[PAR]",
 195         "Option [TT]-ref[tt] determines a reference structure for fitting,",
 196         "instead of using the structure from [TT]-s[tt]. The structure with",
 197         "the lowest sum of RMSD's to all other structures is used.",
 198         "Since the computational cost of this procedure grows with",
 199         "the square of the number of frames, the [TT]-skip[tt] option",
 200         "can be useful. A full fit or only a fit in the [IT]x-y[it] plane can",
 201         "be performed.",
 202         "[PAR]",
 203         "Option [TT]-fitxy[tt] fits in the [IT]x-y[it] plane before determining",
 204         "the rotation matrix."
 205     };
 206     const char     *reffit[] =
 207     { NULL, "none", "xyz", "xy", NULL };
 208     static int      skip   = 1;
 209     static gmx_bool bFitXY = FALSE, bMW = TRUE;
 210     t_pargs         pa[]   = {
 211         { "-ref", FALSE, etENUM, {reffit},
 212           "Determine the optimal reference structure" },
 213         { "-skip", FALSE, etINT, {&skip},
 214           "Use every nr-th frame for [TT]-ref[tt]" },
 215         { "-fitxy", FALSE, etBOOL, {&bFitXY},
 216           "Fit the x/y rotation before determining the rotation" },
 217         { "-mw", FALSE, etBOOL, {&bMW},
 218           "Use mass weighted fitting" }
 219     };
 220     FILE           *out;
 221     t_trxstatus    *status;
 222     t_topology      top;
 223     int             ePBC;
 224     rvec           *x_ref, *x;
 225     matrix          box, R;
 226     real            t;
 227     int             natoms, i;
 228     char           *grpname, title[256];
 229     int             gnx;
 230     gmx_rmpbc_t     gpbc = NULL;
 231     atom_id        *index;
 232     output_env_t    oenv;
 233     real           *w_rls;
 234     const char     *leg[]  = { "xx", "xy", "xz", "yx", "yy", "yz", "zx", "zy", "zz" };
 235 #define NLEG asize(leg)
 236     t_filenm        fnm[] = {
 237         { efTRX, "-f",   NULL,       ffREAD },
 238         { efTPS, NULL,   NULL,       ffREAD },
 239         { efNDX, NULL,   NULL,       ffOPTRD },
 240         { efXVG, NULL,   "rotmat",   ffWRITE }
 241     };
 242 #define NFILE asize(fnm)
 243
 244     if (!parse_common_args(&argc, argv, PCA_CAN_TIME | PCA_CAN_VIEW | PCA_BE_NICE,
 245                            NFILE, fnm, asize(pa), pa, asize(desc), desc, 0, NULL, &oenv))
 246     {
 247         return 0;
 248     }
 249
 250     read_tps_conf(ftp2fn(efTPS, NFILE, fnm), title, &top, &ePBC, &x_ref, NULL, box, bMW);
 251
 252     gpbc = gmx_rmpbc_init(&top.idef, ePBC, top.atoms.nr);
 253
 254     gmx_rmpbc(gpbc, top.atoms.nr, box, x_ref);
 255
 256     get_index(&top.atoms, ftp2fn_null(efNDX, NFILE, fnm), 1, &gnx, &index, &grpname);
 257
 258     if (reffit[0][0] != 'n')
 259     {
 260         get_refx(oenv, ftp2fn(efTRX, NFILE, fnm), reffit[0][2] == 'z' ? 3 : 2, skip,
 261                  gnx, index, bMW, &top, ePBC, x_ref);
 262     }
 263
 264     natoms = read_first_x(oenv, &status, ftp2fn(efTRX, NFILE, fnm), &t, &x, box);
 265
 266     snew(w_rls, natoms);
 267     for (i = 0; i < gnx; i++)
 268     {
 269         if (index[i] >= natoms)
 270         {
 271             gmx_fatal(FARGS, "Atom index (%d) is larger than the number of atoms in the trajecory (%d)", index[i]+1, natoms);
 272         }
 273         w_rls[index[i]] = (bMW ? top.atoms.atom[index[i]].m : 1.0);
 274     }
 275
 276     if (reffit[0][0] == 'n')
 277     {
 278         reset_x(gnx, index, natoms, NULL, x_ref, w_rls);
 279     }
 280
 281     out = xvgropen(ftp2fn(efXVG, NFILE, fnm),
 282                    "Fit matrix", "Time (ps)", "", oenv);
 283     xvgr_legend(out, NLEG, leg, oenv);
 284
 285     do
 286     {
 287         gmx_rmpbc(gpbc, natoms, box, x);
 288
 289         reset_x(gnx, index, natoms, NULL, x, w_rls);
 290
 291         if (bFitXY)
 292         {
 293             do_fit_ndim(2, natoms, w_rls, x_ref, x);
 294         }
 295
 296         calc_fit_R(DIM, natoms, w_rls, x_ref, x, R);
 297
 298         fprintf(out,
 299                 "%7g %7.4f %7.4f %7.4f %7.4f %7.4f %7.4f %7.4f %7.4f %7.4f\n",
 300                 t,
 301                 R[XX][XX], R[XX][YY], R[XX][ZZ],
 302                 R[YY][XX], R[YY][YY], R[YY][ZZ],
 303                 R[ZZ][XX], R[ZZ][YY], R[ZZ][ZZ]);
 304     }
 305     while (read_next_x(oenv, status, &t, x, box));
 306
 307     gmx_rmpbc_done(gpbc);
 308
 309     close_trj(status);
 310
 311     gmx_ffclose(out);
 312
 313     do_view(oenv, ftp2fn(efXVG, NFILE, fnm), "-nxy");
 314
 315     return 0;
 316 }